книги из ГПНТБ / Пирожников, В. Е. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками

При этом значение фактического коэффициента распределения

серы Ls не превышает 20 при равновесных его значениях в пределах 150—250 (выплавка стали типа ШХ15 под основными восстанови­ тельными шлаками). Таким образом, определяющим процесс рафи­ нирования расплава в печи от серы является кинетическое звено.

Значительного увеличения скорости процесса можно достичь, изменяя отношение S/G = 5УД и уменьшая толщину пограничного слоя б, т. е., увеличивая коэффициент массопередачи

Выполнить эти два важных условия можно сравнительно легко без снижения производительности сталеплавильного агрегата, обра­ батывая расплав при выпуске в сталеразливочный ковш жидким синтетическим или электропечным шлаком заданных составов я свойств (жидкий синтетический шлак получают в специальной) электропечи, электропечной — в обычной дуговой печи для стали. При этом резко возрастает как поверхность раздела фаз металл— шлак (в десятки раз), так и величина

т. е. толщина непромешиваемого слоя обратно пропорциональна

скорости набегающего потока и0 [26].

При этом скорость десульфурации возрастает примерно в 30 раз (при исходной концентрации [S] = 0,025%) и фактический коэф­ фициент распределения серы

достигает значений 100—190. При обработке металла шлаками в ковше, когда падением струи обеспечивается раздробление шлака на мелкие капельки и энергичное его перемешивание со шлаком, должна поддерживаться низкая вязкость как синтетического, так и электропечного шлаков (добавка плавикового шпата перед вы­ пуском плавки), так как только в этом случае обеспечивается тонкое диспергирование шлака и можно получить достаточную величину удельной межфазной поверхности металл—шлак.

J — коэффициент, учитывающий форму выпускного отверстия. При выпуске плавки из электропечи увеличение скорости исте­ чения металла обеспечивается быстрым и по возможности крутым

наклоном плавильного агрегата.

Следует отметить, что при прочих равных условиях рафинирова­ ние стали синтетическим или электропечным шлаками будет более

60

эффективным на печах большой емкости (100—200 т), имеющих ванну большой глубины.

В зависимости от типа сталеплавильного агрегата, физико-хими­ ческих условий плавки (например, температурных условий) и кон­ центрации углерода в металле к началу процесса рафинирования в расплавленной стальной ванне в растворе будет находиться то или иное количество кислорода.

Эти концентрации кислорода всегда выше концентраций, равно­ весных с углеродом, поэтому при избирательной кристаллизации металла в изложницах или в кристаллизаторах машин непрерывной разливки неизбежно образуется окись углерода, что приводит к образованию дефектов в слитках.

Поэтому процесс рафинирования стали в плавильном агрегате должен обеспечить уменьшение концентрации кислорода, остаю­ щегося в растворе в железе (по-видимому, в виде ионов О2или атомов О) и перевод большей части кислорода в форму включений, которые частично удаляются из металла и частично так распола­ гаются между кристаллами металла, что становятся наименее опас­ ными для служебных свойств стали (механических, коррозионных и др.). К основным свойствам неметаллических включений, явля­ ющихся продуктами раскисления следует отнести температуру плав­ ления, плотность и удельную межфазную энергию на поверхности контакта включений и металла, адгезию жидкого металла к вклю­ чениям или смачивание их металлом.

Все эти свойства оказывают влияние на кинетику процессов зарождения, укрупнения и всплывания включений при раскислении металла тем или иным компонентом раскислителя.

При рафинировании металла от кислорода в плавильном агрегате определяющим является процесс перехода образующейся новой фазы при введении в расплав раскислителя из металла в шлак.

С. И. Попель [27] определяет интенсивность образования заро­

где J — изменение изобарно-изотермического потенциала системы при выпадании вещества пересыщенного расплава из рас­ твора с образованием зародыша новой фазы;

m’ — число атомов на поверхности зародыша критического раз­ мера, т. е. устойчивого в расплаве;

V — объем, приходящийся на один атом исходной фазы (рас­ плава);

61

т — число атомов, находящихся в единице объема в исходной

фазе; К —■постоянная Больцмана;

h — постоянная Планка;

М — молекулярная масса выделяющегося вещества; р — плотность;

—-----пересыщение расплава;

R — газовая постоянная.

Интенсивность зарождения новой фазы зависит от исходных концентраций кислорода, а также количества и природы применяе­ мого раскислителя. Последующее удаление образующихся частиц осуществляется различными путями. Перемещение частиц продуктов раскисления может происходить под действием сил гравитации и сил теплового поля. При этом в реальных условиях микровключения могут удаляться из жидкой стали в том случае, если они достигают размеров, обеспечивающих существенное превышение гравитацион­ ных сил над силами теплового поля. Увеличение размеров включе­ ний в этом случае может быть обусловлено как самопроизвольной коагуляцией включений, т. е. действием сил одинаковой интенсив­ ности во всех направлениях, так и принудительной коагуляцией, т. е. когда имеется некоторое направленное силовое поле, например гравитационное, электростатическое и др.

Скорости самопроизвольной коагуляции и удаления включений чрезвычайно малы и не имеют практического значения.

В работе [28] убедительно показано определяющее влияние при­ нудительной коагуляции включений на скорость их удаления из стали. Отношение скоростей принудительной (ш0) и самопроизволь­

ной (дап) коагуляции достигает ІО5 [29].

Скорость принудительной коагуляции зависит от соотношения количества и радиусов больших частиц (центров очищения) и малых (коагулирующих). Вероятность соприкосновения движущихся ча­ стиц определяется, по данным С. И. Попеля, критерием Stk, который

Соприкосновение, например, малой частицы радиуса г = 0,006 мкм не может произойти, если радиус осаждающей частицы R меньше

100 мкм.

Массообмен кислорода между металлом и шлаком регламенти­ руется диффузией вблизи межфазной поверхности. Поэтому раскисленность стали при обработке ее на выпуске восстановительными шлаками зависит не только от окислительного потенциала шлака,

62

но и от степени развития межфазной поверхности и величины коэф­ фициента массопередачи

Последний определяется скоростью движения фаз (и) относи­ тельно друг друга, так как

Такие свойства шлака, как его вязкость и, следовательно, ско­ рость перемещения в нем ионов кислорода и железа играют значи­ тельную роль лишь тогда, когда обеспечена достаточно развитая поверхность контакта металла и шлака, в частности, при высокой степени диспергирования шлака и металла. Необходимость тонкого диспергирования не подлежит сомнению, однако, вероятно, суще­ ствуют некоторые оптимальные размеры шлаковых частиц, которые обеспечивают достаточную скорость передачи растворенного в ме­ талле кислорода в шлак и интенсивную адгезию неметаллических включений к капелькам шлака. Повышение значения межфазной удельной энергии на границе фаз металл—шлак приводит к смеще­ нию оптимальных размеров шлаковых капель в область более низких значений, т. е. укрупнение включений и их удаление из металла происходит быстрее.

Таким образом, процессы глубокого рафинирования металла в печи от серы и кислорода протекают весьма медленно, причем эффективность снижается с увеличением глубины ванны и емкости

сокоосновными восстановительными шлаками определенных со­ ставов в сочетании с раскислением и легированием расплава жид­ кими лигатурами и специальными сплавами может стать основой для построения эффективного технологического процесса получения высококачественной стали массового производства в крупных стале­ плавильных агрегатах. Неотъемлемой частью указанного техно­ логического процесса является рафинирование металла от раство­ ренных в процессе плавки водорода и азота. Снижение содержания в стали газов и кислорода достигается обработкой расплава вне печи вакуумом и барботажем пузырями.

Известно, что скорость реакций дегазации (их степень завершен­ ности) определяется при прочих равных условиях величиной по­ верхности раздела газ—металл, отнесенной к единице объема жид­ кого металла. Важное значение при этом имеет фактор обновления этой поверхности, т. е. перемешивание расплава. Поэтому в послед­ ние годы все большее распространение получают способы, позволя­ ющие обеспечить высокую удельную поверхность дегазации и интен­ сивное перемешивание расплава.

63

Одним из наиболее эффективных способов рафинирования металла является применение инертных и активных газов или газометаллургии, развивающейся в трех направлениях:

1) использование инертных газов для ускорения массообмена между расплавом и газовой фазой, а также выноса имеющихся в металле неметаллических включений. В качестве инертных газов применяют аргон, азот, иногда гелий [30, 31 ];

2) применение восстановительных газов для раскисления рас­ плава;

3) использование газообразных окисляющих смесей для обеспе­ чения глубокого обезуглероживания металла.

В результате продувки металла инертным газом уменьшается содержание водорода, кислорода, неметаллических включений и в ряде случаев серы. Продувка газом вызывает перемешивание металла, на поверхность выносятся продукты раскисления, в ре­ зультате чего общее содержание кислорода снижается. Уменьшение содержания кислорода и серы в расплаве может быть значительным, если до продувки их концентрации существенно превышали равно­ весные. Движущей силой процесса продувки металла инертным газом является низкое парциальное давление СО, Н 2, N2 в пузырьках вдуваемого газа.

Процесс взаимодействия металла и газа протекает через ряд последовательных ступеней. Так, поглощение водорода металлом включает диссоциацию молекул водорода на поверхности металла, адсорбцию атомов водорода на металле и переход адсорбированных атомов в раствор.

В случае образования атомарного раствора справедлив закон

На основе этой зависимости Сивертс эмпирически установил, что все газы, для которых справедлив закон квадратного корня, растворяются в металле одноатомно. Как известно, температурная зависимость растворимости газа (в нашем случае водорода) выра­ жается следующим уравнением:

_ L

Принимая во внимание (111-10) и (111-11), можно получить за­

64

няется в зависимости от температуры и состава. Ниже этого значе­ ния растворение газа не происходит. Аналогичные выкладки спра­ ведливы и для растворимости азота в расплаве.

Теоретические основы дегазации продувкой газом разработаны Геллером. Действие продувки основано на том, что между отдель­ ными газовыми пузырями и расплавом возникает градиент концен­ траций. В соответствии с законом Сивертса это приводит к диффузии растворенного газа в газовые пузыри.

Диффузия прекращается по достижении равновесия между газовыми пузырями и расплавом. Дегазирующее действие газового пузыря прекращается в тот момент, когда квадрат концентрации растворенного в расплаве газа становится равным его парциальному

Н2 (газ) ~ 2Н.

При определении количества аргона, необходимого для достиже­ ния заданного содержания кислорода, исходят из предпосылок, что исходное парциальное давление рсо = 1 ат, конечное рсо пропорциально содержаниям С и 0 2; при окислении углерода из металла удаляются примерно равные количества С и 0 2. Уравнение для определения теоретического расхода аргона имеет вид

р— общее давление на пузырек, когда он выходит в атмо­ сферу, ат

К— константа равновесия для реакции

[С]+ [0 ]^ { С 0 } газ;

/c/o — коэффициенты активности для С и 0 2.

Следует иметь в виду, что практически для достижения заданных концентраций газа в металле требуется несколько больший объем инертного газа по сравнению с определяемым по приведенным фор­

мулам.

При расходе аргона более 1,0 м3/т содержание кислорода в низко­ углеродистой стали оказывается таким же, как и в случае равнове­ сия с газовой фазой с парциальным давлением окиси углерода 0,17 0,35 ат [33]. При концентрации углерода в расплаве ниже 0,1% глубина раскисления стали возрастает с увеличением концентрации углерода, а также с уменьшением размеров газовых пузырьков и увеличением расхода аргона. При содержании углерода выше 0,1 % глубина раскисления не зависит от концентрации углерода и огра­ ничивается взаимодействием металла с футеровкой ковша. С увели­ чением расхода аргона глубина раскисления не увеличивается, так как в результате более интенсивного перемешивания усиливается взаимодействие металла с футеровкой. При большой емкости ковша, когда удельная поверхность футеровки относительно небольшая, можно добиться более глубокой степени раскисления. Среднее оста-

66

точное содержание кислорода в стали при продувке аргона близко к значениям, полученным при вакуумировании жидкой стали раз­ личными методами, что видно из следующих данных [33], %:

Преимущество раскисления металла продувкой аргоном заклю­ чается в том, что раскисление продолжается в течение всей продувки, тогда как при вакуумировании процесс раскисления практически заканчивается с прекращением кипения.

При барботировании жидкой стали аргоном или азотом незави­ симо от количества обрабатываемого металла можно снизить содер­ жание водорода в стали до 3 см3/0,1 кг [34].

В последующие годы [35, 36] проводятся работы по рафинирова­ нию жидкого металла смесями окислительных и инертных газов.

Аргоно-кислородное рафинирование высокохромистых расплавов основано на том положении, что при снижении парциального давле­ ния окиси углерода в результате разбавления кислорода, вдуваемого в хромистый расплав, аргоном можно обезуглеродить металл, содер­ жащий 18% Сг до 0,01% С при температурах, не превышающих 1750° С без существенных потерь хрома. Обычно при рафинировании чистым кислородом при тех же содержании углерода и температуре количество хрома составляет всего несколько процентов. Для уве­ личения его содержания вводят дорогостоящий безуглеродистый феррохром. Продувка аргон-кислородными смесями благотворно сказывается и на кинетике процесса, так как происходит постоянное перемешивание ванны пузырьками аргона.

На заводе фирмы «Джослин Стинлис Стил Див» (США) [37] опытную выплавку нержавеющей стали осуществляли по следу­ ющей схеме. Исходную шихту расплавляли в дуговой электропечи и при необходимости проводили десульфурацию. Жидкий расплав заливали в реторту и продували аргоно-кислородной смесью через фурмы, расположенные у дна реторты, изменяя соотношение кисло­ род—аргон в смеси в соответствии с содержанием углерода в металле. Температуру регулировали небольшими добавками кремнесодержа­ щих материалов и количеством кислорода в смеси. После достижения требуемого содержания углерода присаживали восстановительную смесь из силикохрома, необходимые легирующие добавки и проду­ вали расплав чистым аргоном для усреднения ванны и снижения температуры металла. Основные показатели рафинирования сле­ дующие: содержание углерода, кремния и хрома в исходном металле

15%). Значительно сокращается при этом расход и угар раскисли­ телей и легирующих элементов.

За рубежом в сталеплавильных цехах имеется 50 таких устано­ вок, из них около 50% в США, в Японии 5 установок работает и 3 строится. СССР закупил установку ДН для Магнитогорского металлургического комбината. На Горьковском металлургическом заводе введена в эксплуатацию установка для ковшей емкостью 15 т.

Сравнение состояния внепечного вакуумирования стали на пред­ приятиях МЧМ СССР с зарубежной практикой показывает, что развитие технического прогресса в этой области у нас отстает. Наи­ более эффективно внепечное вакуумирование использовать для кипя­ щей стали, особенно в сочетании с непрерывной разливкой. В послед­ ние годы этот метод проверен на установке Ново-Тульского метал­ лургического завода, оборудованной пароэжекторным насосом.

Внепечное вакуумирование кипящей стали без легирования или с последующим легированием позволяет увеличить производитель­ ность сталеплавильных печей (мартеновских, конвертерных дуго­ вых), поскольку для раскисления металла углеродом в вакууме необходимо выпускать металл из печи с содержанием углерода на 0,04—0,06% выше, чем обычно. Наибольшее увеличение производи­ тельности печей будет при выплавке низкоуглеродистых сталей.

Внепечное вакуумирование жидкой нераскисленной стали с по­ следующим легированием и раскислением под вакуумом, осуще­ ствляемое различными методами (в ковше, порционное, струйное), не только позволяет значительно повысить качество металла благо­ даря раскислению углеродом и значительному снижению содержа­ ния кислорода (до 0,001%) и неметаллических включений, а также водорода (что важно для флокеночувствительных марок стали), но и достигнуть следующих преимуществ по сравнению с другими

способами:

1) сокращается продолжительность плавки низкоуглеродистых кипящих сталей на 10—15 мин, а спокойных и полуспокойных сталей — на 15—25 мин, что обусловлено выпуском металла из печи с более высоким содержанием углерода (на 0,04—0,05%) и ликвидацией предварительного раскисления в печи;

2) отпадает необходимость присаживать для частичного раскис­ ления ферросилиций при выплавке полуспокойных марок стали, поскольку такое раскисление достигается углеродом. При этом экономия 45% ферросилиция составит 3,5 кг на 1 т стали. Компен­ сация прочностных характеристик при отсутствии в полуспокойных сталях кремния достигается изменением содержания углерода

впределах марочного состава;

3)уменьшается угар легирующих и раскислителей при присадке

их под вакуумом: марганца на 20%, кремния и алюминия на 25—35% ; 4) имеется возможность при производстве кипящей стали (по химическому составу) и спокойной или полуспокойной (по строению литого металла) разливать металл на УНРС с получением хороших слябов и годных листов нестареющего металла с высокими вьітяж-

рими свойствами для автолиста и других назначений,

69